第6部分-信號處理初步解析課件

第五章信號處理初步本章學(xué)習(xí)要求：1.了解數(shù)字信號處理系統(tǒng)的組成2.了解信號數(shù)字化出現(xiàn)的問題3.掌握采樣定理4.掌握相關(guān)分析方法信號處理的目的：1)分離信、噪，提高信噪比；2)從信號中提取有用的特征信號；3)修正測試系統(tǒng)的某些誤差，如傳感器的線性誤差、溫度影響等。測試工作的目的：是獲取反映被測對象的狀態(tài)和特征的信息。但是有用的信號總是和各種噪聲混雜在一起的，有時本身也不明顯，難以直接識別和利用。只有分離信、噪，并經(jīng)過必要的處理和分析、清除和修正系統(tǒng)誤差之后，才能比較準(zhǔn)確地提取測得信號中所含的有用信息。第五章信號處理初步模擬信號處理系統(tǒng)數(shù)字信號處理系統(tǒng)方法模擬信號處理系統(tǒng)：由一系列能實現(xiàn)模擬運(yùn)算的電路，諸如模擬濾波器、乘法器、微分放大器等環(huán)節(jié)組成。其中大部分環(huán)節(jié)在前行課程和前面幾章中已有討論。模擬信號處理也作為數(shù)字信號處理的前奏，例如濾波、限幅、隔直、解調(diào)等預(yù)處理。數(shù)字處理之后也常需作模擬顯示、記錄等。數(shù)字信號處理系統(tǒng)：是用數(shù)字方法處理信號，它既可在通用計算機(jī)上借助程序來實現(xiàn)，也可以用專用信號處理機(jī)來完成。數(shù)字信號處理機(jī)具有穩(wěn)定、靈活、快速、高效、應(yīng)用范圍廣、設(shè)備體積小、重量輕等優(yōu)點，在各行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。第五章信號處理初步第一節(jié)數(shù)字信號處理的基本步驟

信號的預(yù)處理是把信號變成適于數(shù)字處理的形式，以減輕數(shù)字處理的困難。預(yù)處理包括:

1)電壓幅值調(diào)理，以便適宜于采樣，總是希望電壓峰-峰值足夠大，以便充分利用AD轉(zhuǎn)換器的精確度。2)必要的濾波，以提高信噪比，并濾去信號中的高頻噪聲。

3)隔離信號中的直流分量（如果所測信號中不應(yīng)有直流分量）。4)如原信號經(jīng)過調(diào)制，則應(yīng)先行解調(diào)。

預(yù)處理環(huán)節(jié)應(yīng)根據(jù)測試對象、信號特點和數(shù)字處理設(shè)備的能力妥善安排。模-數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換是模擬信號經(jīng)采樣、量化并轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制的過程。第五章信號處理初步物理信號對象傳感器放大等預(yù)處理A

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D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號顯示D

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A轉(zhuǎn)換控制物理信號模擬信號計算機(jī)模擬信號模擬信號數(shù)字信號處理的基本步驟第二節(jié)信號數(shù)字化出現(xiàn)的問題

1.信號數(shù)字化處理過程數(shù)字信號處理首先把一個連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后由計算機(jī)處理，從中提取有關(guān)的信息。信號數(shù)字化過程包含著一系列步驟，每一步驟都可以引起信號和其蘊(yùn)含信息的失真?，F(xiàn)以計算一個模擬信號的頻譜為例來說明有關(guān)的問題。第五章信號處理初步信號數(shù)字化出現(xiàn)的問題信號數(shù)字化出現(xiàn)的問題2.時域采樣、混疊和采樣定理采樣是將采樣脈沖序列p(t)與信號x(t)相乘，取離散點x(nTs)的值的過程。采樣定理

X(0),X(1),X(2),……,X(n)

采樣定理

每周期應(yīng)該有多少采樣點？最少2點:采樣定理

采樣定理

頻域解釋采樣定理

0t0f0t0ft00fx(t)|X(f)|采樣定理采樣定理

為保證采樣后信號能真實地保留原始模擬信號信息，信號采樣頻率必須至少為原信號中最高頻率成分的2倍。這是采樣的基本法則，稱為采樣定理。fs＞2fh

需注意，滿足采樣定理，只保證不發(fā)生頻率混疊，而不能保證此時的采樣信號能真實地反映原信號x(t)。工程實際中采樣頻率通常大于信號中最高頻率成分的3到5倍。采樣定理

頻率混疊：

FsFsFsFs頻混正常采樣定理

A/D采樣前的抗混疊濾波：物理信號對象傳感器電信號放大調(diào)理電信號A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號展開低通濾波(0~Fs/2)放大采樣定理

3.量化與量化誤差采樣―利用采樣脈沖序列，從信號中抽取一系列離散值，使之成為采樣信號x(nTs)的過程。編碼―將經(jīng)過量化的值變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)字的過程。

量化―把采樣信號經(jīng)過舍入變?yōu)橹挥杏邢迋€有效數(shù)字的數(shù)，這一過程稱為量化．A/D轉(zhuǎn)換

量化與量化誤差

信號的6等分量化過程4位A/D:XXXXX(1)0101X(2)0011X(3)0000X(4)0001X(5)0100……12345678量化與量化誤差

模擬信號的輸入范圍為D—動態(tài)工作范圍如，0~5V，±5V，0~10V，±10V等。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)是一定的。一個b位（又稱數(shù)據(jù)字長）的二進(jìn)制數(shù)，共有L=2b個數(shù)碼。位數(shù)越多，量化誤差越小，分辨力越高。常用有8位、10位、12位、16位等。以D=5V為例，Dx為若最高位作為符號位，則兩相鄰量化電平之間的差Dx為量化誤差的最大值為±(Dx/2)量化與量化誤差

2)A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)

(3)模擬信號的輸入范圍;如，5V，+/-5V，10V，+/-10V等。(1)分辨率;

用輸出二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)表示。位數(shù)越多，量化誤差越小，分辨力越高。常用有8位、10位、12位、16位等。(2)轉(zhuǎn)換速度;指完成一次轉(zhuǎn)換所用的時間，如:1ms(1KHz)；10us(100kHz)量化與量化誤差

第三節(jié)相關(guān)分析及其應(yīng)用一、兩個隨機(jī)變量的相關(guān)系數(shù)通常，兩個變量之間若存在一一對應(yīng)的確定關(guān)系，則稱兩者存在著函數(shù)關(guān)系。當(dāng)兩個隨機(jī)變量之間具有某種關(guān)系時，隨著某一個變量數(shù)值的確定，另一變量卻可能取許多不同值，但取值有一定的概率統(tǒng)計規(guī)律，這時稱兩個隨機(jī)變量存在著相關(guān)關(guān)系。變量x和y之間的相關(guān)程度常用相關(guān)系數(shù)表示第五章信號處理初步下圖分別表示了x、y兩變量間的各種關(guān)系情況。理想的線性相關(guān)相關(guān)分析對各態(tài)歷經(jīng)隨機(jī)信號及功率信號可定義：自相關(guān)函數(shù)自相關(guān)系數(shù)相關(guān)分析周期信號自相關(guān)函數(shù)有如下性質(zhì)：4）自相關(guān)函數(shù)是偶函數(shù)1）取值范圍2）當(dāng)t=0

時，自相關(guān)函數(shù)具有最大值（=均方值）。3）當(dāng)t足夠大或t→

時，隨機(jī)變量x(t)和x(t+t)之間不存在內(nèi)在聯(lián)系，彼此無關(guān)，即5）周期信號的自相關(guān)函數(shù)仍然是同頻率的周期信號，其幅值與原信號有關(guān)，但丟失了原信號的相位信息。相關(guān)分析相關(guān)分析例5-1求正弦函數(shù)的自相關(guān)函數(shù)周期信號定義式相關(guān)分析三、信號的互相關(guān)函數(shù)兩個各態(tài)歷經(jīng)隨機(jī)信號x(t)和y(t)可定義：互相關(guān)函數(shù)周期信號